نقش زیست توده میکروبی در کیفیت و سلامت خاک
الموضوعات : Soil scienceآسیه بلواسی 1 , صدیقه علائی بخش 2
1 - استادیار، گروه زراعت، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، واحد قائمشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، قائمشهر، ایران
2 - استادیار، گروه زراعت، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، واحد قائمشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، قائمشهر، ایران
الکلمات المفتاحية: اکوسیستم, زیست توده میکروبی, کشاورزی, ماده آلی,
ملخص المقالة :
خاک، بیش از ۹۷ درصد از نیازهای غذایی بشر را تأمین میکند و نقش کلیدی در پایداری کشاورزی، چرخههای زیستی و حفظ تنوع بومشناختی دارد. سلامت خاک مفهومی چندبعدی و پویا است که تحت تأثیر عوامل فیزیکی، شیمیایی و زیستی قرار دارد و تعامل بین این عوامل، عملکرد اکوسیستم خاک را تعیین میکند. عوامل زیستی، بهویژه جوامع میکروبی، در تثبیت ماده آلی، چرخه عناصر غذایی، تنظیم ساختار خاک و سرکوب عوامل بیماریزا نقش محوری دارند. در سالهای اخیر، شاخصهای میکروبیولوژیک بهعنوان ابزاری حساس و دقیق برای سنجش سلامت خاک، مورد توجه پژوهشگران و مدیران اراضی قرار گرفتهاند. شاخصهایی مانند کربن زیستتوده میکروبی، تنفس پایه و نرخ تجزیه، به دلیل پاسخدهی سریع به تغییرات مدیریتی و زیستمحیطی، از جمله قابلاعتمادترین ابزار پایش سلامت خاک بهشمار میروند. با این حال، چالشهایی مانند تفسیر پیچیده دادههای مرتبط با تنوع میکروبی و نبود معیارهای استاندارد، همچنان مانع استفاده گسترده از این شاخصها در مقیاس عملیاتی شده است. در عین حال، عواملی نظیر pH، شوری، ماده آلی، بافت و تخلخل خاک، بر فعالیت و ترکیب جمعیتهای میکروبی اثر مستقیم دارند. استفاده از راهبردهای کشاورزی پایدار مانند تناوب زراعی، کاهش شخم، مدیریت بقایای گیاهی و افزودن مواد آلی میتواند شرایط فیزیکی و شیمیایی را بهبود داده و در نتیجه، تنوع و فعالیت میکروبی را ارتقا دهد. این مقاله مروری، با رویکردی نظاممند، ضمن معرفی فهرست وار عوامل کلیدی مؤثر بر کیفیت و سلامت خاک، بر نقش محوری شاخصهای میکروبیولوژیک از جمله زیست توده میکروبی، در پایش، تفسیر و مدیریت پایدار خاک تأکید دارد.
1. قاسمی چراتی، م.، شایانمهر، م.، امیری بشلی، ب. و گیائوآ سیپولا، ن. ۱۴۰۰. معرفی کلِمبولا بهعنوان مزوفائون خاک در جنگلهای مخلوط سمسکنده، ساری (منطقه هیرکانی). فصلنامه بومشناسی جنگل ایران، (18) 9: 126-115
2. کریم زاده، ز.، شهابارخزلویی، ح.، سلطانی تولارود، ع.ا. و عسگری، ش. ۱۴۰۰. تعیین مهمترین عوامل مؤثر بر شاخصهای تجمیعی سلامت خاک در منطقه نمین. فصلنامه پژوهشهای فرسایش محیطی، دانشگاه هرمزگان، (3) 11: 139-123
3. میراببالو، م. و میری، ب. ۱۴۰۰. فراوانی و تنوع زیستی بندپایان مزوفائون خاک در لایههای مختلف خاک جنگلهای سوزنیبرگ. زیستشناسی خاک، (1) 9: 105-99
4. سرچشمهپور، م.، حجازی، م.، جلالی، و. و مولایی، ف. ۱۳۹۵. مروری بر شاخصهای کیفیت، سلامت و امنیت خاک. دومین همایش ملی مدیریت پایدار منابع خاک و محیطزیست، کرمان، ایران.
5. Ayuke, F.O., Kihara, J., Ayaga, G., Micheni, A.N. 2019. Conservation Agriculture Enhances Soil Fauna Richness and Abundance in Low Input Systems: Examples from Kenya. Frontier in Environmental Science 7:97
6. Bhattacharyya, S.S., Ros, G.H., Furtak, K., Iqbal, H.M. and Parra-Saldivar, R. 2022. Soil carbon sequestration–An interplay between soil microbial community and soil organic matter dynamics. Science of the Total Environment 815: 152928.
7. Bünemann, E.K., Bongiorno, G., Bai, Z., Creamer, R.E., De Deyn, G., De Goede, R., Fleskens, L., Geissen, V., Kuyper, T.W., Mäder, P., Pulleman, M. 2018. Soil quality–A critical review. Soil biology and biochemistry 120:105-125.
8. Chamorro-Martínez, Y.C., Torregroza-Espinosa, A.C., Moreno Pallares, M.I., Pinto Osorio, D., Corrales Paternina, A. and Echeverría González, A .2022. Soil macrofauna, mesofauna and microfauna and their relationship with soil quality in agricultural areas in northern Colombia: ecological implications. Revista Brasileira de Ciência do Solo (RBCS) 46: 0210132.
9. Chen, X., Xia, Y., Rui, Y., Ning, Z., Hu, Y., Tang, H., He, H., Li, H., Kuzyakov, Y. and Ge, T. 2020. Microbial carbon use efficiency, biomass turnover, and necromass accumulation in paddy soil depending on fertilization. Agriculture, Ecosystems and Environment 292: 106816.
10. Chernov, T.I. and Zhelezova, A.D .2020. The dynamics of soil microbial communities on different timescales: A review. Eurasian Soil Science 53: 643–652.
11. Christel, A., Prevost-Boure, N.C., Dequiedt, S., Saby, N., Mercier, F., Tripied, J., Comment, G., Villerd, J., Djemiel, C., Hermant, A. 2024. Differential responses of soil microbial biomass, diversity and interactions to land use intensity at a territorial scale. Science of the Total Environment 906: 167454.
12. Coonan, E.C., Kirkby, C.A., Kirkegaard, J.A., Amidy, M.R., Strong, C.L., Richardson, A.E. 2020. Microorganisms and nutrient stoichiometry as mediators of soil organic matter dynamics. Nutrient Cycling in Agroecosystems 117(3:) 273-298.
13. Doran, J.W. and Parkin, T.B. 2015. Defining and assessing soil quality. In: Doran, J.W., Coleman, D.C., Bezdicek, D.F. and Stewart, B.A. (Eds.), SSSA Special Publications, Soil Science Society of America and American Society of Agronomy, Madison, WI, USA 1–21.
14. Dubey, G., Kollah, B., Gour, V.K., Shukla, A.K., Mohanty, S.R. 2016. Diversity of bacteria and archaea in the rhizosphere of bioenergy crop Jatropha curcas. 3(6): 1-10.
15. Esch, E.H., Lipson, D. and Cleland, E.E. 2017. Direct and indirect effects of shifting rainfall on soil microbial respiration and enzyme activity in a semi-arid system. Plant and Soil 411: 333–346.
16. Evangelou, E., Tsadilas, C. and Giourga, C. 2021. Seasonal variation of soil microbial biomass carbon and nitrogen as affected by land use in a Mediterranean agro ecosystem. Commun. Soil Science and Plant Analysis 52: 222–234.
17. Fan, Y., Zhang, C.H., Hu, W., Saifullah Khan, K.H., Zhao, Y. and Huang, B. 2025. Development of soil quality assessment framework: A comprehensive review of indicators, functions and approaches. Ecological Indicators 172.
18. Fausak, L.K., Bridson, N., Diaz-Osorio, F., Jassal, R.S. and Lavkulich, L.M. 2024. Soil health – a perspective. Frontiers in Soil Science 4: 1462428.
19. Ferris, H. and Tuomisto, H. 2015. Unearthing the role of biological diversity in soil health. Soil Biology and Biochemistry 85 101–109.
20. Fierer, N., Wood, S.A. and de Mesquita, C.P.B. 2021. How microbes can, and cannot, be used to assess soil health. Soil Biology and Biochemistry 153: 108111.
21. Geisseler, D., Horwath, W.R., Scow, K.M. 2011. Soil moisture and plant residue addition interact in their effect on extracellular enzyme activity. Pedobiologia 54: 71-78.
22. Hoffland, E., Kuyper, T., Comans, R., Creamer, R. 2020. Eco-functionality of organic matter in soils. Plant and Soil 455: 1-22.
23. Janzen, H.H., Janzen, D.W. and Gregorich, E.G. 2021. The ‘soil health’ metaphor: Illuminating or illusory? Soil Biology and Biochemistry 159: 108167.
24. Karlen, D.L., Stott, D.E. 2015. A framework for evaluating physical and chemical indicators of soil quality. In: Doran, J.W., Coleman, D.C., Bezdicek, D.F., Stewart, B.A. (eds) SSSA Special Publications. Soil Science Society of America and American Society of Agronomy, Madison, WI, USA 53–72.
25. Khitrov, N.B., Nikitin, D.A., Ivanova, E.A., Semenov, M.V. 2023. Variability of the content and stock of soil organic matter in time and space: An analytical review. Eurasian Soil Science 56: 1819–1844.
26. Lehmann, J., Bossio, D.A., Kogel-Knabner, I., Rillig, M.C. 2020. The concept and future prospects of soil health. Nature Reviews Earth and Environment 1: 544–553.
27. Liang, C., Kastner, M., Joergensen, R.G .2020. Microbial necromass on the rise: The growing focus on its role in soil organic matter development. Soil Biology and Biochemistry 150: 108000.
28. Ma, F., Wang, C., Zhang, Y., Chen J, Xie R. and Sun Z. 2022. Development of Microbial Indicators in Ecological Systems. International Journal of Environmental Research and Public Health 19: 13888
29. Maharjan, M., Sanaullah, M., Razavi, B.S. and Kuzyakov, Y. 2017. Effect of land use and management practices on microbial biomass and enzyme activities in subtropical top-and sub-soils. Applied Soil Ecology 113: 22–28
30. Moebius-Clune, B.N., Moebius-Clune, D.J., Gugino, B.K., Idowu, O.J., Schindelbeck, R.R., Ristow, A.J., van Es, H.M., Thies, J.E., Shayler, H.A., McBride, M.B. 2016. Comprehensive Assessment of Soil Health—The Cornell Framework 3.2 ed. Cornell University: Geneva, NY, USA
31. Murugan, R., Koch, H.J. and Joergensen, R.G. 2014. Long-term influence of different tillage intensities on soil microbial biomass, residues and community structure at different depths. Biology and Fertility of Soils 50:487–498
32. Nikitin, D.A., Semenov, M.V., Chernov, T.I., Ksenofontova, N.A., Zhelezova, A.D., Ivanova, E.A., Khitrov, N.B. and Stepanov, A.L. 2022. Microbiological indicators of soil ecological functions: A review. Eurasian Soil Science 55:221–234.
33. Nikitin, D.A., Semenov, M.V., Chernov, T.I., Ksenofontova, N.A., Zhelezova, A.D., Ivanova, E.A., Khitrov, N.B. and Stepanov, A.L. 2022. Microbiological indicators of soil ecological functions: A review. Eurasian Soil Science 55:221–234.
34. Oliver, D.P., Bramley, R.G.V., Riches, D., Porter, I. and Edwards, J. 2013. A review of soil physical and chemical properties as indicators of soil quality in Australian viticulture. Australian Journal of Grape and Wine Research 19:129–139
35. Paz‐Ferreiro, J., Fu, S. 2016. Biological indices for soil quality evaluation: perspectives and limitations. Land Degradation and Development 27(1): 14-25.
36. Ren, F., Sun, N., Xu, M., Zhang, X., Wu, L. and Xu, M. 2019. Changes in soil microbial biomass with manure application in cropping systems: A meta-analysis. Soil and Tillage Research 194:104291.
37. Romero-Freire, A., Aragon, M.S., Garzon, F.M. and Peinado, F.M. 2016. Is soil basal respiration a good indicator of soil pollution? Geoderma 263:132–139. 38. Saha, M., Maurya, B.R., Bahadur, I., Kumar, A., Meena, V.S. 2016. Can potassium solubilizing bacteria mitigate the potassium problems in India?. In: Potassium solubilizing microorganisms for sustainable agriculture. Springer 127-136.
39. Semenov, M., Blagodatskaya, E., Stepanov, A. and Kuzyakov, Y. 2018. DNA-based determination of soil microbial biomass in alkaline and carbonaceous soils of semi-arid climate. Journal of Arid Environments 150:54–61.
40. Semenov, M.V. 2021. Metabarcoding and metagenomics in soil ecology research: Achievements, challenges, and prospects. Biology Bulletin Reviews 11:40–53.
41. Semenov, M.V., Ksenofontova, N.A., Nikitin, D.A., Tkhakakhova, A.K. and Lukin, S.M. 2023. Microbiological parameters of soddy-podzolic soil and its rhizosphere in a half-century field experiment with different fertilizer systems. Eurasian Soil Science 56:756–768.
42. Semenov, M.V., Zhelezova, A.D., Ksenofontova, N.A., Ivanova, E.A., Nikitin, D.A. and Semenov, V.M. 2025. Microbiological indicators for assessing the effects of agricultural practices on soil health: A review. Agronomy 15:335.
43. Sharma, U., Datta, M. and Sharma, V. 2025. Soil Acidity: Management Options for Higher Crop Productivity. Springer 10.1007/978-3-031-76357-1.
44. Sholeye, A.R., Ojuederie, O.B., Babalola, O.O. 2021. Soil Quality Indicators, Their Correlation and Role in Enhancing Agricultural Productivity. Food Security and Safety: African Perspectives 271-285.
45. Siddig, A.A.H., Ellison, A.M., Ochs, A., Villar-Leeman, C., Lau, M.K. 2016. How do ecologists select and use indicator species to monitor ecological change? Insights from 14 years of publication in Ecological Indicators. Ecological Indicators 60: 223–230.
46. Singh, P., Kawa, N.C., Sprunger, C.D. 2024. “More questions than answers”: Ohio farmers’ perceptions of novel soil health data and their utility for on-farm management. Agroecology and Sustainable Food Systems 48: 74–92.
47. Smith, J.L., Paul, E.A. 2017. The significance of soil microbial biomass estimations. In Soil Biochemistry, Bollag, J.M., Ed., Routledge: New York, NY, USA, 6: 357–398.
48. Sokolov, M.S., Semenov, A.M., Spiridonov, Y.Y., Toropova, E.Y., Glinushkin, A.P. 2020. Healthy soil—Condition for sustainability and development of the argo-and sociospheres (Problem-Analytical review). Biology Bulletin 47: 18–26
49. Usharani, K.V., Roopashree, K.M., Dhananjay, N. 2019. Role of soil physical, chemical and biological properties for soil health improvement and sustainable agriculture. Journal of Pharmacognosy and Phytochemistry 8(5): 1256-1267.
50. Van Bruggen, A.H., Goss, E.M., Havelaar, A., van Diepeningen, A.D., Finckh, M.R., Morris, J.G., Jr. 2019. One Health-Cycling of diverse microbial communities as a connecting force for soil, plant, animal, human and ecosystem health. Science of the Total Environment 664: 927–937.
51. van Bruggen, A.H., He, M., Zelenev, V.V., Semenov, V.M., Semenov, A.M., Semenova, E.V., Kuznetsova, T.V., Khodzaeva, A.K., Kuznetsov, A.M., Semenov, M.V. 2017. Relationships between greenhouse gas emissions and cultivable bacterial populations in conventional, organic and long-term grass plots as affected by environmental variables and disturbances. Soil Biology and Biochemistry 114: 145–159.
52. van Es, H.M., Karlen, D.L. 2019. Reanalysis validates soil health indicator sensitivity and correlation with long‐term crop yields. Soil Science Society of America Journal 83(3): 721- 732.
53. Welsch, J., Songling, C., Buckley, H.L., Lehto, N.J., Jones, E.E., Case, B.S. 2019. How many samples? Soil variability affects confidence in the use of common agroecosystem soil indicators. Ecological Indicators. 102: 401–409.
54. Wienhold, B.J., Karlen, D.L., Andrews, S.S., Stott, D.E. 2009. Protocol for indicator scoring in the soil management assessment framework (SMAF). Renewable Agriculture and Food Systems 24: 260–266.
55. Yadav, B.K., Sidhu, A.S. 2016. Dynamics of potassium and their bioavailability for plant nutrition. In: Potassium solubilizing microorganisms for sustainable agriculture. Springer 187-201.
56. Yang, T., Siddique, K.H.M., Liu, K. 2020. Cropping systems in agriculture and their impact on soil health-A review. Global Ecology and Conservation 23, e. 01118. doi: https://doi.org/10.1016/ j.gecco.e. 01118.
57. Zagatto, M.R.G., Oliveira Filho, L.C.I., Pompeo, P.N., Niva, C.C., Baretta, D., Bran Nogueira Cardoso, E.J. 2020. Mesofauna and Macrofauna in Soil and Litter of Mixed Plantations. In: Bran Nogueira Cardoso, Gonçalves, E., Balieiro, J.F., Franco, A. (eds) Mixed Plantations of Eucalyptus and Leguminous Trees. Springer, Cham.
58. Zhelezova, A.D., Semenov, V.M., Ksenofontova, N.A., Krasnov, G.S., Tkhakakhova, A.K., Nikitin, D.A., Semenov, M.V. 2024. Effects of distinct manure amendments on microbial diversity and activity in Chernozem and Retisol. Applied Soil Ecology 193: 105152
